5.電源線和地線布局注意事項(xiàng)

　　電源線盡量短，走直線，而且最好走樹(shù)形、不要走環(huán)形

　　地線環(huán)路問(wèn)題：對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，地線環(huán)路造成的地線環(huán)流也就是幾十毫伏級(jí)別的，而TTL的抗干擾門(mén)限是1.2V，CMOS電路更可以達(dá)到1/2電源電壓，也就是說(shuō)地線環(huán)流根本就不會(huì)對(duì)電路的工作造成不良影響。相反，如果地線不閉合，問(wèn)題會(huì)更大，因?yàn)閿?shù)字電路在工作的時(shí)候產(chǎn)生的脈沖電源電流會(huì)造成各點(diǎn)的地電位不平衡，比如本人實(shí)測(cè)74LS161在反轉(zhuǎn)時(shí)地線電流1.2A(用2Gsps示波器測(cè)出，地電流脈沖寬度7ns)。在大脈沖電流的沖擊下，如果采用枝狀地線(線寬25mil)分布，地線間各個(gè)點(diǎn)的電位差將會(huì)達(dá)到百毫伏級(jí)別。而采用地線環(huán)路之后，脈沖電流會(huì)散布到地線的各個(gè)點(diǎn)去，大大降低了干擾電路的可能。采用閉合地線，實(shí)測(cè)出各器件的地線最大瞬時(shí)電位差是不閉合地線的二分之一到五分之一。當(dāng)然不同密度不同速度的電路板實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異很大，我上面所說(shuō)，指的是大約相當(dāng)于Protel 99SE所附帶的Z80 Demo板的水平;對(duì)于低頻模擬電路，我認(rèn)為地線閉合后的工頻干擾是從空間感應(yīng)到的，這是無(wú)論如何也仿真和計(jì)算不出來(lái)的。如果地線不閉合，不會(huì)產(chǎn)生地線渦流，beckhamtao所謂“但地線開(kāi)環(huán)這個(gè)工頻感應(yīng)電壓會(huì)更大?！钡睦碚撘罁?jù)和在?舉兩個(gè)實(shí)例，7年前我接手別人的一個(gè)項(xiàng)目，精密壓力計(jì)，用的是14位A/D轉(zhuǎn)換器，但實(shí)測(cè)只有11位有效精度，經(jīng)查，地線上有15mVp-p的工頻干擾，解決方法就是把PCB的模擬地環(huán)路劃開(kāi)，前端傳感器到A/D的地線用飛線作枝狀分布，后來(lái)量產(chǎn)的型號(hào)PCB重新按照飛線的走線生產(chǎn)，至今未出現(xiàn)問(wèn)題。第二個(gè)例子，一個(gè)朋友熱愛(ài)發(fā)燒，自己DIY了一臺(tái)功放，但輸出始終有交流聲，我建議其將地線環(huán)路切開(kāi)，問(wèn)題解決。事后此位老兄查閱數(shù)十種“Hi-Fi名機(jī)”PCB圖，證實(shí)無(wú)一種機(jī)器在模擬部分采用地線環(huán)路。

　　6.印制電路板設(shè)計(jì)原則和抗干擾措施

　　印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件.它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電于技術(shù)的飛速發(fā)展，PGB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大.因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí).必須遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。

　　PCB設(shè)計(jì)的一般原則

　　要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布且及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB.應(yīng)遵循以下一般原則：

　　布局

　　首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。

　　在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：

　　(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

　　(2)某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

　　(3)重量超過(guò)15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

　　(4)對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

　　(5)應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

　　根據(jù)電路的功能單元.對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

　　(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

　　(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、 整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

　　(3)在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產(chǎn)。

　　(4)位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬比為3：2成4：3。電路板面尺寸大于200x150mm時(shí).應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

　　2.布線

　　布線的原則如下：

　　(1)輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。

　　(2)印制攝導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基扳間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為 0.05mm、寬度為 1 ~ 15mm 時(shí).通過(guò) 2A的電流，溫度不會(huì)高于3℃，因此.導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿(mǎn)足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02~0.3mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線.尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小至5~8mm。

　　(3)印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則.長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀.這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。

　　3.焊盤(pán)

　　焊盤(pán)中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤(pán)最小直徑可取(d+1.0)mm。

　　PCB及電路抗干擾措施

　　印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施做一些說(shuō)明。

　　1.電源線設(shè)計(jì)

　　根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

　　2.地線設(shè)計(jì)

　　地線設(shè)計(jì)的原則是：

　　(1)數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租，高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔。

　　(2)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2~3mm以上。

　　(3)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

　　3.退藕電容配置

　　PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙荨?/p>

　　退藕電容的一般配置原則是：

　　(1)電源輸入端跨接10 ~100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。

　　(2)原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1 ~ 10pF的但電容。

　　(3)對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如 RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。

　　(4)電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

　　此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

　　(1)在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí).操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用附圖所示的 RC 電路來(lái)吸收放電電流。一般 R 取 1 ~ 2K，C取2.2 ~ 47UF。

　　(2)CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

　　7.實(shí)現(xiàn)PCB高效自動(dòng)布線的設(shè)計(jì)技巧和要點(diǎn)

　　盡管現(xiàn)在的EDA工具很強(qiáng)大，但隨著PCB尺寸要求越來(lái)越小，器件密度越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)的難度并不小。如何實(shí)現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間呢?本文介紹PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計(jì)技巧和要點(diǎn)。 現(xiàn)在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)間越來(lái)越短，越來(lái)越小的電路板空間，越來(lái)越高的器件密度，極其苛刻的布局規(guī)則和大尺寸的組件使得設(shè)計(jì)師的工作更加困難。為了解決設(shè)計(jì)上的困難，加快產(chǎn)品的上市，現(xiàn)在很多廠家傾向于采用專(zhuān)用EDA工具來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB的設(shè)計(jì)。但專(zhuān)用的EDA工具并不能產(chǎn)生理想的結(jié)果，也不能達(dá)到100%的布通率，而且很亂，通常還需花很多時(shí)間完成余下的工作。

　　現(xiàn)在市面上流行的EDA工具軟件很多，但除了使用的術(shù)語(yǔ)和功能鍵的位置不一樣外都大同小異，如何用這些工具更好地實(shí)現(xiàn)PCB的設(shè)計(jì)呢?在開(kāi)始布線之前對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對(duì)工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置將使設(shè)計(jì)更加符合要求。下面是一般的設(shè)計(jì)過(guò)程和步驟。

　　1、確定PCB的層數(shù)

　　電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。如果設(shè)計(jì)要求使用高密度球柵數(shù)組(BGA)組件，就必須考慮這些器件布線所需要的最少布線層數(shù)。布線層的數(shù)量以及層疊(stack-up)方式會(huì)直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)效果。

　　多年來(lái)，人們總是認(rèn)為電路板層數(shù)越少成本就越低，但是影響電路板的制造成本還有許多其它因素。近幾年來(lái)，多層板之間的成本差別已經(jīng)大大減小。在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布，以避免在設(shè)計(jì)臨近結(jié)束時(shí)才發(fā)現(xiàn)有少量信號(hào)不符合已定義的規(guī)則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設(shè)計(jì)之前認(rèn)真的規(guī)劃將減少布線中很多的麻煩。

　　2、設(shè)計(jì)規(guī)則和限制

　　自動(dòng)布線工具本身并不知道應(yīng)該做些什幺。為完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。不同的信號(hào)線有不同的布線要求，要對(duì)所有特殊要求的信號(hào)線進(jìn)行分類(lèi)，不同的設(shè)計(jì)分類(lèi)也不一樣。每個(gè)信號(hào)類(lèi)都應(yīng)該有優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過(guò)孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制，這些規(guī)則對(duì)布線工具的性能有很大影響。認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)要求是成功布線的重要一步。

　　3、組件的布局

　　為最優(yōu)化裝配過(guò)程，可制造性設(shè)計(jì)(DFM)規(guī)則會(huì)對(duì)組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門(mén)允許組件移動(dòng)，可以對(duì)電路適當(dāng)優(yōu)化，更便于自動(dòng)布線。所定義的規(guī)則和約束條件會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。

　　在布局時(shí)需考慮布線路徑(routing channel)和過(guò)孔區(qū)域。這些路徑和區(qū)域?qū)υO(shè)計(jì)人員而言是顯而易見(jiàn)的，但自動(dòng)布線工具一次只會(huì)考慮一個(gè)信號(hào)，通過(guò)設(shè)置布線約束條件以及設(shè)定可布信號(hào)線的層，可以使布線工具能像設(shè)計(jì)師所設(shè)想的那樣完成布線。

　　4、扇出設(shè)計(jì)

　　在扇出設(shè)計(jì)階段，要使自動(dòng)布線工具能對(duì)組件引腳進(jìn)行連接，表面貼裝器件的每一個(gè)引腳至少應(yīng)有一個(gè)過(guò)孔，以便在需要更多的連接時(shí)，電路板能夠進(jìn)行內(nèi)層連接、在線測(cè)試(ICT)和電路再處理。

　　為了使自動(dòng)布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過(guò)孔尺寸和印制線，間隔設(shè)置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數(shù)最大的過(guò)孔類(lèi)型。進(jìn)行扇出設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到電路在線測(cè)試問(wèn)題。測(cè)試夾具可能很昂貴，而且通常是在即將投入全面生產(chǎn)時(shí)才會(huì)訂購(gòu)，如果這時(shí)候才考慮添加節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)100%可測(cè)試性就太晚了。

　　經(jīng)過(guò)慎重考慮和預(yù)測(cè)，電路在線測(cè)試的設(shè)計(jì)可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行，在生產(chǎn)過(guò)程后期實(shí)現(xiàn)，根據(jù)布線路徑和電路在線測(cè)試來(lái)確定過(guò)孔扇出類(lèi)型，電源和接地也會(huì)影響到布線和扇出設(shè)計(jì)。為降低濾波電容器連接線產(chǎn)生的感抗，過(guò)孔應(yīng)盡可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時(shí)可采用手動(dòng)布線，這可能會(huì)對(duì)原來(lái)設(shè)想的布線路徑產(chǎn)生影響，甚至可能會(huì)導(dǎo)致你重新考慮使用哪種過(guò)孔，因此必須考慮過(guò)孔和引腳感抗間的關(guān)系并設(shè)定過(guò)孔規(guī)格的優(yōu)先級(jí)。

　　5、手動(dòng)布線以及關(guān)鍵信號(hào)的處理

　　盡管本文主要論述自動(dòng)布線問(wèn)題，但手動(dòng)布線在現(xiàn)在和將來(lái)都是印刷電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要過(guò)程。采用手動(dòng)布線有助于自動(dòng)布線工具完成布線工作。如圖2a和圖2b所示，通過(guò)對(duì)挑選出的網(wǎng)絡(luò)(net)進(jìn)行手動(dòng)布線并加以固定，可以形成自動(dòng)布線時(shí)可依據(jù)的路徑。

　　無(wú)論關(guān)鍵信號(hào)的數(shù)量有多少，首先對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行布線，手動(dòng)布線或結(jié)合自動(dòng)布線工具均可。關(guān)鍵信號(hào)通常必須通過(guò)精心的電路設(shè)計(jì)才能達(dá)到期望的性能。布線完成后，再由有關(guān)的工程人員來(lái)對(duì)這些信號(hào)布線進(jìn)行檢查，這個(gè)過(guò)程相對(duì)容易得多。檢查通過(guò)后，將這些線固定，然后開(kāi)始對(duì)其余信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線。

　　6、自動(dòng)布線

　　對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的布線需要考慮在布線時(shí)控制一些電參數(shù)，比如減小分布電感和EMC等，對(duì)于其它信號(hào)的布線也類(lèi)似。所有的EDA廠商都會(huì)提供一種方法來(lái)控制這些參數(shù)。在了解自動(dòng)布線工具有哪些輸入?yún)?shù)以及輸入?yún)?shù)對(duì)布線的影響后，自動(dòng)布線的質(zhì)量在一定程度上可以得到保證。

　　應(yīng)該采用通用規(guī)則來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線。通過(guò)設(shè)置限制條件和禁止布線區(qū)來(lái)限定給定信號(hào)所使用的層以及所用到的過(guò)孔數(shù)量，布線工具就能按照工程師的設(shè)計(jì)思想來(lái)自動(dòng)布線。如果對(duì)自動(dòng)布線工具所用的層和所布過(guò)孔的數(shù)量不加限制，自動(dòng)布線時(shí)將會(huì)使用到每一層，而且將會(huì)產(chǎn)生很多過(guò)孔。

　　在設(shè)置好約束條件和應(yīng)用所創(chuàng)建的規(guī)則后，自動(dòng)布線將會(huì)達(dá)到與預(yù)期相近的結(jié)果，當(dāng)然可能還需要進(jìn)行一些整理工作，同時(shí)還需要確保其它信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)布線的空間。在一部分設(shè)計(jì)完成以后，將其固定下來(lái)，以防止受到后邊布線過(guò)程的影響。

　　采用相同的步驟對(duì)其余信號(hào)進(jìn)行布線。布線次數(shù)取決于電路的復(fù)雜性和你所定義的通用規(guī)則的多少。每完成一類(lèi)信號(hào)后，其余網(wǎng)絡(luò)布線的約束條件就會(huì)減少。但隨之而來(lái)的是很多信號(hào)布線需要手動(dòng)干預(yù)?，F(xiàn)在的自動(dòng)布線工具功能非常強(qiáng)大，通?？赏瓿?00%的布線。但是當(dāng)自動(dòng)布線工具未完成全部信號(hào)布線時(shí)，就需對(duì)余下的信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)布線。

　　7、自動(dòng)布線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括:

　　7.1 略微改變?cè)O(shè)置，試用多種路徑布線;

　　7.2 保持基本規(guī)則不變，試用不同的布線層、不同的印制線和間隔寬度以及不同線寬、不同類(lèi)型的過(guò)孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有何影響;

　　7.3讓布線工具對(duì)那些默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要進(jìn)行處理;

　　7.4信號(hào)越不重要，自動(dòng)布線工具對(duì)其布線的自由度就越大。

　　8、布線的整理

　　如果你所使用的EDA工具軟件能夠列出信號(hào)的布線長(zhǎng)度，檢查這些數(shù)據(jù)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些約束條件很少的信號(hào)布線的長(zhǎng)度很長(zhǎng)。這個(gè)問(wèn)題比較容易處理，通過(guò)手動(dòng)編輯可以縮短信號(hào)布線長(zhǎng)度和減少過(guò)孔數(shù)量。在整理過(guò)程中，你需要判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理。同手動(dòng)布線設(shè)計(jì)一樣，自動(dòng)布線設(shè)計(jì)也能在檢查過(guò)程中進(jìn)行整理和編輯。

　　9、電路板的外觀

　　以前的設(shè)計(jì)常常注意電路板的視覺(jué)效果，現(xiàn)在不一樣了。自動(dòng)設(shè)計(jì)的電路板不比手動(dòng)設(shè)計(jì)的美觀，但在電子特性上能滿(mǎn)足規(guī)定的要求，而且設(shè)計(jì)的完整性能得到保證。